Chuỗi vận chuyển điện tử

Chuỗi vận chuyển
điện tử
Cơ chế truyền điện tử
Phản ứng truyền điện tử:
Aox + Bred  Ared + Box
Aox : chất oxy hoá
Bred : chất khử.
Chất truyền điện tử có thể có hai trạng thái:
Aox + ne-  Ared
Box + ne-  Bred
vd: Fe3+ + e-  Fe2+

Tính thế oxy hoá khử theo phương trình Nernt:

E = E° – RT/nF (ln [Ck]/[Co])

Trong đó:
E: thế oxh-k; Eo: thế cơ sở;
R: hằng số khí;T: nhiệt độ tuyệt đối;
F: hằng số Faraday, n: số điện tử;
Ck: nồng độ chất oxh; C0: nồng độ chất khử
DE° = E°chất oxh – E°chất khử
= E°chất nhận – E°chất cho
Thế oxh-k chuyển thành năng lượng tự do của phản ứng:
DGo = – nFDE°
Trong đó: DGo: năng lượng tự do (Jun)
DE°: hiệu số điện thế (volt)
Một phản ứng chuyển điện tử thực hiện được (DG<0) nếu E°chất cho âm điện hơn E°chất nhận , khi đó DE° > 0.

ĐỘNG LỰC CỦA QUÁ TRÌNH
VẬN CHUYỂN ĐIỆN TỬ
Xem xét quá trình vận chuyển 2 điện tử từ NADH đến oxy:
a. ½ O2 + 2H+ + 2e-  H2O
E° = +0.815 V
b. NAD+ + 2H+ + 2e-  NADH + H+
E° = -0.315 V
Lấy phản ứng a trừ b:
 c. ½ O2 + NADH + H+  H2O + NAD+
DE° = +1.13 V
DG0 = - nFDEo = – 2(96494)(1.13) = – 218 kJ/mol
ATP  ADP + Pi G° = -30.5 kJ/mol
Chuỗi vận chuyển điện tử của ty thể
Page 808
Complex II
Sự vận chuyển điện tử từ NADH đến O2 thông qua các phức hệ I, III & IV nằm ở màng trong của ty thể, cùng với CoQ và cyt c.
Trong mỗi phức hệ, điện tử được vận chuyển liên tục qua một chuỗi các chất truyền điện tử.
CoQ định cư ở phần lõi lớp lipit của màng và có gắn kết với protein.
Cytochrom c cư trú ở khoảng không gian giữa hai lớp màng. Nó có thể nối với phức hệ III hoặc IV để vận chuyển e-.
Thành phần của các phức hợp
trong chuỗi hô hấp
Những chất ức chế trong chuỗi hô hấp:
Rotenone (một loại thuốc chuột) ức chế phức hệ I.
Antimycin A ức chế vận chuyển điện tử ở phức hệ III.
CN- & CO ức chế phức hệ IV.
Sự ức chế xảy ra ở một trong những điểm này sẽ làm ngừng quá trình vận chuyển e- từ NADH đến O2.
Phức hợp I (NADH-ubiquinone-reductase; 850 kD)
Vận chuyển điện tử từ NADH đến CoQ
Chứa FMN và một số trung tâm Fe-S.
Phần ngoại vi (nhô vào nội chất) chứa FMN - nhận 2e- từ NADH.
Các trung tâm Fe-S vận chuyển e- từ FMN đến coenzym Q.
Hai quá trình đồng thời xảy ra:
NADH + H+ + Q  NAD+ + QH2 (thải năng lượng)
H+ được bơm từ nội chất ( pH cao hơn) đến khoảng không gian giữa hai lớp màng (pH thấp hơn) (thu năng lượng)


NADH + 5H+N + Q  NAD+ + QH2 + 4H+P

Previous
SƠ ĐỒ GIẢN LƯỢC - PHỨC HỢP I
Lúc đầu điện tử được vận chuyển như sau:
NADH + H+ + FMN  NAD+ + FMNH2
FMNH2 + (Fe-S)ox  FMNH· + (Fe-S)red + H+
Sau đó, bị oxy hoá lại bằng cách vận chuyển điện tử vào trung tâm Fe-S kế tiếp theo cách:
FMNH· + (Fe-S)ox  FMN + (Fe-S)red + H+
Điện tử đi qua một loạt các trung tâm Fe-S, và cuối cùng được chuyển đến coenzyme Q.
Coenzyme Q nhận 2 e- và 2 H+ thành QH2.
Phức hợp II (Succinat-Coenzyme Q-Reductase)
Vận chuyển điện tử từ succinat đến CoQ
Chứa enzym succinat dehydrogenase.
Sử dụng FAD, trung tâm Fe-S, cytochrom b560
FAD  FeScenter 1  FeScenter 2  FeScenter 3  CoQ
Cấu trúc oxaloacetate tinh thể (OAA) là ranh giới thay cho succinat.
Chuỗi vận chuyển điện tử ở phức hợp II của E.coli (hình chụp bằng tia X):
SƠ ĐỒ GIẢN LƯỢC - PHỨC HỢP II
FAD là chất nhận điện tử đầu tiên.
FAD bị khử thành dạng FADH2 trong quá trình oxy hoá succinat thành fumarat.
FADH2 sau đó bị oxy hoá trở lại thành để vận chuyển điện tử qua chuỗi gồm 3 trung tâm Fe-S đến Coenzyme Q, thành QH2.
Succinat dehydrogenase của chu trình Krebs cũng được gọi là phức hệ II hay Succinat-CoQ-Reductase.
Complex III (CoQ-cytochrom c- reductase)
Vận chuyển điện tử từ CoQ (ubiquinol) đến cytochrom c
QH2 + 2 cyt c1 (ox) + 2 H+N  Q + 2 cyt c1 (red) + 4 H+P

SƠ ĐỒ GIẢN LƯỢC - PHỨC HỢP III
2QH2
Cyt. b566
Cyt. b560
INTERMEMBRANE SPACE
Cyt. C1
MATRIX
Complex III
Complete Cycle
QH2
.Q-
2H+
e-
2.Q-
2×1e-
Fe-S
2×1e-
Q
2H+
2×1e-
e-
Antimycin
2×1e-
2Q
×
×
Cytochrom c nhận điện tử từ cytochrome c1 (Phức hợp III)
Cyt c: protein heme ngoại vi màng (gắn kết với mặt ngoài của màng trong)
Nối giữa cytochrom c1 (ở dạng khử) và phức hợp IV (cytochrom oxidase)
Chứa một số gốc Cys ở điểm gắn kết; Sự acetyl của những gốc này ngăn chặn sự tương tác với cyt c1 và với phức hệ IV.
Phức hợp IV (Cytochrome c oxidase)
1 điện tử được vận chuyển từ Cyt c đến phân tử O2
Lớn (200 kD), gồm nhiều tiểu phần (6-13 tiểu phần).
Tiểu phần lớn nhất được mã hoá bởi DNA của ty thể.
Ba tiểu phần hầu như là ghét nước và có ý nghĩa quan trọng.

4 Cyt c (red) + 8H+N + O2  4 Cyt c (ox) + 4 H+P + 2 H2O
SƠ ĐỒ GIẢN LƯỢC - PHỨC HỢP IV
Vận chuyển điện tử: cyt c → CuA → heme a → heme a3/CuB
O2 gắn tại trung tâm 2 nhân chứa heme a3/CuB.
Subunit 1
Heme groups (2)
Cu ion (CuB)
Subunit 2
Cu ions (2)
Subunit 3
Cytochrom oxidase (phức hợp IV) bên trong màng bao gồm chủ yếu là các chuỗi xoắn a.
Những trung tâm kim loại của cytochrom oxidase (phức hợp IV):
- heme a & heme a3,
- CuA (2 nguyên tử Cu kề sát nhau) & CuB.
O2 phản ứng tại binuclear center chứa heme a3 và CuB.
Các đầu mạch của heme a3 bị tổn thương khi gắn kết với những chất ức chế sau:
CN-, CO, và ·NO.
·NO có thể điều chỉnh hô hấp tế bào bằng ảnh hưởng ức chế của nó và gây ra một triệu chứng tương tự giảm O2 huyết.
Tóm tắc các phản ứng
Complex I:
NADH + 5H+N + Q  NAD+ + QH2 + 4H+P
Complex III:
QH2 + 2 cyt c1 (ox) + 2 H+N  Q + 2 cyt c1 (red) + 4 H+P
Complex IV:
2 Cyt c (red) + 4H+N + ½ O2  2 Cyt c (ox) + 2 H+P + H2O



Summary, continued
H+ transferred from matrix per e- pair
Overall, for each pair of e-,
NADH + 11H+N + ½ O2  NAD+ + 10 H+P + H2O